基于有限元法的MT4400礦用自卸車后橋殼輕量優(yōu)化分析

韓東濤 佟 晟 賈振華

(1.呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008； 2.華能伊敏煤電公司露天礦 內(nèi)蒙古 伊敏 021000)

大型礦用自卸車是我國北方露天煤炭礦區(qū)重要的生產(chǎn)運(yùn)輸工具，因其具有較大承載能力而在礦山運(yùn)輸作業(yè)中被廣泛應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)橋殼是礦用自卸車底盤系統(tǒng)的核心基體，主要承受復(fù)雜環(huán)境下車輛行駛過程中的多種載荷，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響到礦用自卸車的安全性和可靠性。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜工作環(huán)境下，礦用自卸車后橋在行駛的過程中會發(fā)生變形甚至斷裂，嚴(yán)重影響著礦區(qū)的生產(chǎn)與安全。[1]目前，礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)與改進(jìn)數(shù)據(jù)大多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加后橋殼體厚度尺寸來保證其強(qiáng)度和剛度，方法以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，缺乏理論計(jì)算及論證，簡單的增加材料會造成零配件重量不斷增加，材料冗余嚴(yán)重卻無法從根本上解決問題，又增加了整車使用的經(jīng)濟(jì)成本。[2]而更好的方法則是在保證其材料屬性及強(qiáng)度和剛度的前提下對其進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和輕量化設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)能夠增大車橋傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間、提高整車的承載效率以及行駛平順性，提高自卸車使用的經(jīng)濟(jì)性。

1 國內(nèi)外研究方法及現(xiàn)狀

我國在車輛橋殼設(shè)計(jì)通常采用的方法是將橋殼簡化成一個(gè)簡支梁，通過特定截面應(yīng)力、應(yīng)變的情況來校核其強(qiáng)度與剛度。這種設(shè)計(jì)方法不可避免存在很多主觀因素，具有較大經(jīng)驗(yàn)局限性。國外則較早通過運(yùn)用有限元分析方法對模型進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境條件下力學(xué)分析，模擬橋殼的三維幾何結(jié)構(gòu)和受力約束情況，使設(shè)計(jì)工作取得了長足發(fā)展。[3]我國車輛設(shè)計(jì)研究人員也掌握了這一方法并逐步發(fā)展，并把它應(yīng)用到了車輛設(shè)計(jì)與研究工作中，例如國內(nèi)陜西漢德車橋有限公司的丁煒琦等在《基于有限元的某礦用車橋橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)》[1]中結(jié)合有限元分析結(jié)果對該礦用驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過優(yōu)化后，橋殼各個(gè)工況下最大應(yīng)力均有明顯下降，提高了橋殼強(qiáng)度；青島理工大學(xué)的葉明在2014年《卡車驅(qū)動(dòng)橋橋殼疲勞壽命研究》[4]文中利用多柔體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)合有限元分析的方法，得到了橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)對疲勞壽命敏感性擬合，結(jié)合大量的多體動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析，研究高效的橋殼疲勞壽命預(yù)期方法得到了修正結(jié)構(gòu)參數(shù)；合肥工業(yè)大學(xué)的鄧?yán)诙家詻_焊橋殼為研究對象，[5]對驅(qū)動(dòng)橋的關(guān)鍵零件橋殼、半軸等進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)性能的分析與研究基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，提出的改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)了橋殼的輕量化，并采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化方法對橋殼進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，達(dá)到了23.2%的質(zhì)量降幅。

國外研究人員也利用此方法研究車輛橋殼失效問題，例如日本Mochizuki Sumio等通過試驗(yàn)的對比提出在橋殼設(shè)計(jì)初期應(yīng)充分考慮對橋殼疲勞壽命影響較大的因素，[6]從而進(jìn)行橋殼疲勞壽命的預(yù)估；美國的Steven WBradley等基于斷裂力學(xué)研究了后橋殼疲勞失效，[7]得出沖擊應(yīng)力造成了橋殼的失效的主要原因；加拿大的ChriS K.Mechefske等采用有限元結(jié)合動(dòng)應(yīng)變的方法對橋殼的疲勞壽命進(jìn)行了研究，[8]并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在橋殼疲勞壽命預(yù)估上的可靠性。

本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模軟件UG及仿真軟件ANSYS 有限元分析技術(shù)對MT4400礦業(yè)自卸車后橋殼進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，使其在復(fù)雜環(huán)境下工作時(shí)，在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)礦用自卸車后橋殼的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度工作要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化目的，可為礦用自卸車輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 建立MT4400礦用自卸車后橋殼模型

本研究采用UG工具軟件對MT4400礦用自卸車后橋殼進(jìn)行建模，UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，是一種重要的三維建模軟件工具。[9]MT4400的模型建立情況將直接影響著仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照一定的比例，根據(jù)零件的實(shí)際尺寸及表1-1中所示數(shù)據(jù)綜合考慮進(jìn)行建模，在保證零件的可用性與真實(shí)性的同時(shí)進(jìn)行模型計(jì)算與建立。

運(yùn)用UG建模軟件建立模型，應(yīng)該充分考慮到礦山機(jī)械復(fù)雜的工作環(huán)境，整體應(yīng)該做到設(shè)計(jì)合理，受力均勻，要根據(jù)實(shí)體零件比例和車輛參數(shù)去設(shè)定零件之間的配合方式，零件之間的尺寸配合，零件圖的裝配與約束等工作。屬于板殼結(jié)構(gòu)，主要零件采用等厚度板材沖壓成形。[10]在滿足計(jì)算精度的前提下并對進(jìn)行假定：不考慮連接處材料特性的變化，后橋殼的材料是均質(zhì)的，且遵從各向同性，如圖1所示。

圖1 MT4400礦用自卸車后橋殼三維模型

3 相關(guān)參數(shù)的校核計(jì)算

如表1-1展示的相關(guān)參數(shù)表，參數(shù)選擇以上表為基礎(chǔ)，同時(shí)為了達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)的目的，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)修正。 進(jìn)行滿載靜止工況下的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算；在不平路面沖擊載荷作用下的強(qiáng)度計(jì)算；車輛以最大驅(qū)動(dòng)力行駛時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算； 汽車緊急制動(dòng)時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算。[11]根據(jù)已知條件，材料42CrMo，σs為管屈服強(qiáng)度，σs=930MPa，危險(xiǎn)斷面的合成應(yīng)力為σ∑=696MPa，σ∑<σs，滿足設(shè)計(jì)要求；汽車處于緊急制動(dòng)工況時(shí)通常不考慮側(cè)向力，橋殼強(qiáng)度

4 MT4400礦用自卸車后橋有限元法分析

利用有限元法分析MT4400礦用自卸車后殼從滿載靜止、動(dòng)載工況兩部分來對后橋殼進(jìn)行一個(gè)全面有極限的受力分析與形變分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行輕量化優(yōu)化。

4.1 滿載靜止工況下驅(qū)動(dòng)橋的應(yīng)力加載

滿載靜止工況的有限元分析，應(yīng)從最大受力考慮，在符合實(shí)際情況的前提下，不同工作狀況下應(yīng)取值并使用最大受力的工況，以便確保后橋在復(fù)雜工況下的可適應(yīng)性。[12]在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)應(yīng)充分考慮到礦山自卸車的工作工況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣的情況。

根據(jù)上述對材料性能的校核可知42CrMo密度、彈性模量、泊松比、屈服極限、抗拉強(qiáng)度極限等方面具有優(yōu)越的性能，完全符合礦用自卸車復(fù)雜的工作條件對的各項(xiàng)力學(xué)性能的要求。[13]因此，在軟件中的材料設(shè)置參照圖2，具體數(shù)據(jù)參考表1-2。

表1-2 滿載靜止工況下的仿真設(shè)置參數(shù)表

圖2 MT4400礦用自卸車后橋殼網(wǎng)格劃分圖

4.2 模型網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格化時(shí)應(yīng)注意零件某兩孔間間隙太小或某一位置距離太小導(dǎo)致軟件無法對零件進(jìn)行網(wǎng)格化，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該對其距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或者小孔合為功能與效果等同的大孔，以保證網(wǎng)格劃分的順利進(jìn)行，[14]并進(jìn)行各部位載荷施加。[15]

圖3 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況施加載荷

4.3 仿真結(jié)果

如圖4所示最大應(yīng)變變形量為0.4mm，可以忽略不計(jì)，如圖5所示最大應(yīng)力為2.26×108Pa，零件材料所能承受的最大應(yīng)力為930MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 MT4400礦用自卸車后橋殼靜止工況下應(yīng)變圖

圖5 MT4400礦用自卸車后橋殼靜止工況下應(yīng)力圖

根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋的外觀參數(shù)，由6可知，在本次的設(shè)計(jì)的后橋中，其體積為3.7453m3，質(zhì)量為29401kg。由圖5可知，材料使用冗余；圓柱兩邊受力較大，此部分可進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 滿載靜止工況下MT4400后橋殼質(zhì)量、體積示意圖

同理可得動(dòng)載工況下后橋的有限元法加載與分析結(jié)果，分別如圖7、圖8所示。

如圖7所示，動(dòng)載條件下受力零件的最大應(yīng)變變形量為5.9691×10-4mm，應(yīng)變影響較??；如圖8所示，最大應(yīng)力為1.4362×105Pa，零件材料所能承受的最大應(yīng)力為930MPa，符合使用情況，應(yīng)力、應(yīng)變余量較大，對殼體厚度、橋殼尾部等部分進(jìn)行輕量化優(yōu)化，減少材料浪費(fèi)，減輕質(zhì)量，使車輛具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

圖7 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載動(dòng)載工況下應(yīng)變圖

圖8 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載動(dòng)載工況下應(yīng)力圖

5 MT4400礦用自卸車后橋殼輕量化優(yōu)化分析

5.1 滿載靜止工況下后橋優(yōu)化后的有限元分析

根據(jù)實(shí)際受力大小和方向進(jìn)行計(jì)算和確定，對橋殼厚度及橋殼后部進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化后，確定各受力點(diǎn)位置。得到應(yīng)力、應(yīng)變圖如圖9、圖10所示。

如圖9減重后最大應(yīng)變變形量為0.7mm，相對余量較大，符合使用要求；如圖10最大應(yīng)力為2.2434×108Pa，零件材料所能承受的最大應(yīng)力為930MPa，應(yīng)力剛好符合要求，設(shè)計(jì)優(yōu)化合理。

圖9 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下應(yīng)變圖

圖10 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下應(yīng)力圖

滿載靜態(tài)工況下，驅(qū)動(dòng)橋殼體積由3.74533m3減少到3.2669m3，質(zhì)量由29401kg減少到25645kg，減少了3756kg，質(zhì)量減少率達(dá)到12.7%。同理可得滿載動(dòng)載工況下質(zhì)量減少率達(dá)到9.1%，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下質(zhì)量、體積參數(shù)示意圖

5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

由優(yōu)化分析結(jié)果可知，滿載靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩工況下，減少殼體厚度、尾部連接件質(zhì)量，在應(yīng)力應(yīng)變符合要求條件下，質(zhì)量率分別可達(dá)12.7%及9.1%。其中尾部進(jìn)行輕量化優(yōu)化效果較明顯。

6 結(jié)論

本文的研究對象是MT4400礦用自卸車后橋殼，運(yùn)用UG建模并聯(lián)合ANSYS 有限元法軟件對其進(jìn)行仿真分析，運(yùn)用分析其受力環(huán)境，施加相應(yīng)約束與載荷，分析其在滿載靜止、動(dòng)載工況下的應(yīng)變和應(yīng)力是否滿足使用要求的方法，對其進(jìn)行輕量化優(yōu)化研究。經(jīng)分析，兩種工況下后橋殼質(zhì)量減少率分別為12.7%及9.1%，有效地實(shí)現(xiàn)了后橋殼輕量化分析優(yōu)化的目的。